三電平逆變器拓撲結構詳解

　　逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220V，50Hz正弦波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等。在國外因汽車的普及率較高外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動電器及各種工具工作。

　　通過點煙器輸出的車載逆變是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 到 150W 功率規格。再大一些功率逆變電源要通過連接線接到電瓶上。把家用電器連接到電源轉換器的輸出端就能在汽車內使用各種電器?？墒褂玫碾娖饔校?a href="http://www.qd573.com/v/tag/107/" target="_blank">手機、筆記本電腦、數碼攝像機、照像機、照明燈、電動剃須刀、CD 機、游戲機、掌上電腦、電動工具、車載冰箱及各種旅游、野營、醫療急救電器等。

　　逆變器工作原理

　　逆變器是一種DC to AC的變壓器，它其實與轉化器是一種電壓逆變的過程。

　　逆變器

　　轉換器是將電網的交流電壓轉變為穩定的12V直流輸出，而逆變器是將Adapter輸出的12V直流電壓轉變為高頻的高壓交流電；兩個部分同樣都采用了用得比較多的脈寬調制（PWM）技術。其核心部分都是一個PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆變器則采用TL5001芯片。TL5001的工作電壓范圍3.6～40V，其內部設有一個誤差放大器，一個調節器、振蕩器、有死區控制的PWM發生器、低壓保護回路及短路保護回路等。

　　輸入接口部分：輸入部分有3個信號，12V直流輸入VIN、工作使能電壓ENB及Panel電流控制信號DIM。VIN由Adapter提供，ENB電壓由主板上的MCU提供，其值為0或3V，當ENB=0時，逆變器不工作，而ENB=3V時，逆變器處于正常工作狀態；而DIM電壓由主板提供，其變化范圍在0～5V之間，將不同的DIM值反饋給PWM控制器反饋端，逆變器向負載提供的電流也將不同，DIM值越小，逆變器輸出的電流就越大。

　　電壓啟動回路：ENB為高電平時輸出高壓去點亮Panel的背光燈燈管。

　　PWM控制器：有以下幾個功能組成：內部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和PWM、過壓保護、欠壓保護、短路保護、輸出晶體管。

　　逆變器

　　直流變換：由MOS開關管和儲能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經過推挽放大器放大后驅動MOS管做開關動作，使得直流電壓對電感進行充放電，這樣電感的另一端就能得到交流電壓。

　　LC振蕩及輸出回路：保證燈管啟動需要的1600V電壓，并在燈管啟動以后將電壓降至800V。

　　輸出電壓反饋：當負載工作時，反饋采樣電壓，起到穩定I逆變器電壓輸出的作用。

　　三電平逆變器拓撲結構詳解

　　兩電平的結構在不斷完善與發展之后，專家學者就提出了三電平的結構，這種結構的優點是隨著電平數的增多，輸出的電流中諧波含量降低。當逆變器工作在低頻開關狀態下時，開關器件動作少，在相同條件下消耗在開關上的開通和關斷能量就減少，相應的使得電壓和電流的輸出就變大。經過幾十年各國學者的不斷努力，現在己經形成了幾種比較成熟的拓撲結構，都已經形成了各自的應用場合，使得在不同控制要求和條件下，可以選用不同結構的逆變器。

　　一、東莞南方水泵分析MPC三電平逆變器拓撲結構

　　最早研制成功的多電平逆變器是在Nabae.A提出的模型基礎之上改進成的。其主要特點是控制方式采用PWM或是SPWM算法，電路結構采用二極管進行鉗位，這種結構簡單實用。NPC結構的逆變器為以后各種拓撲結構的逆變器奠定了基礎，許多新型的逆變器都是由最初的簡單結構演變而來的。

　　下圖為NPC逆變器的主電路拓撲結構，可以看出在a相上串聯了四個開關管，形成了上下不同的橋臂，上下橋臂中不同的開關動作組合是有不同的矢量控制的，定義每相橋臂的輸出的三電平的狀態分別是P，O，N，以第一相橋臂為例，當Sl，S2閉合時輸出高電平狀態，同時S3，S4關閉時根據結構可以看出輸出電壓為0狀態，同理可以計算出當S3，S4導通時輸出電壓為低電平。DX（X=1~6）為鉗位二極管，DX1，DX2，DX3，DX4（X=1，2，3，4）是續流二極管。對于n電平鉗位式逆變器所需要的分壓電容為（n-1），開關管的個數是電容個數的兩倍即2（n-l），通過三個橋臂的不同開關管的導通與關斷，很容易得到三相電路。

　　圖1：NPC三電平逆變器拓撲結構

　　每個橋臂的三種開關狀態P，N，O，如果用功率器件的導通來表示1，斷開用0表示，那么每相橋臂的組合狀態為：［1100］，［0110］，［0011］，減少功率器件的耐壓不均勻現象，在開通關斷過程中要經過O狀態，不可以直接進行P→N狀態或是N→P狀態，目的是為了防止器件承受高壓而燒壞。

　　每相橋臂的開關動作按照如下方式進行：首先開通S1和S2，接下來對S2進行關斷，保證其完全關斷的時候，留有必要的余量，在對S3進行開通，保證S3完全開通后在對S1進行關斷處理，其他開關管依次類推，這樣的優點是保證在每個開關管開通和關斷之后在操作其他器件，能有效防止上下橋臂的直通，導致開關管承受的電壓電流值過大而燒毀。

　　表1：A相橋臂的開通關斷狀態

　　二、NPG三電平逆變器的優缺點

　　通過對其工作原理和拓撲結構分析廣東南方水泵可以看出該逆變器具有以下優點：

　　1）電平數越多，輸出電壓中的諧波含量越低；

　　2）采用脈沖寬度調制時可以減小開關管的通斷次數，從而降低功耗提高效率，可以控制無功能量的流動；

　　3）back-to-back連接，系統控制簡單。

　　正是由于這些優點，使得NPC逆變器應用廣泛，與其同步發展的控制方法日漸成熟，通過對算法的改進也可以避免和消除部分自身結構帶來的缺點，任何一種電路都存在不可避免的缺點，越復雜的電路缺點越多，逆變器也不例外。

　　根據南方水泵介紹隨著電平數的增加，二極管和電容數量都將增加，由于每個功率器件不能完全一致導通時間并不同步，導致各個開關管承受的電壓不同；由于分壓電容的存在，不可避免的存在中點電壓不平衡問題，使得在硬件設計和控制算法中要做出相應的措施，避免對變頻器產生危害影響使用壽命。